Тепловые процессы формирования отливок, страница 9

После выбивки отливок из литейной формы, когда температура их невысокая, охлаждение происходит преимущественно конвекцией, чаще свободной и реже вынужденной. Длительность этой стадии можно определить из алгебраического уравнения теплового баланса:

, где a – коэффициент теплоотдачи от отливки, определяемый на основе критериальных зависимостей для естественной или вынужденной конвекции; F – площадь поверхности отливки, через которую происходит охлаждение; Т₀ – температура отливки, которую приближенно можно взять; t_охл – время охлаждения; Т_ср – температура охлаждающей среды – Т_ср @ 20°С; Т_охл – температура, до которой охлаждается отливка (Т_охл » 50°С)

.

3.3. Влияние конфигурации отливки на ее затвердевание и охлаждение

Конфигурация и геометрическая форма литых деталей отличается большим разнообразием от плоских плит, цилиндров до весьма сложных корпусов, станин с сочетанием разнотолщинных стенок, криволинейных поверхностей, бобышек и т.п.

Однако в тепловом отношении все геометрическое многообразие отливок можно свести к трем группам отливок, различающихся протяженностью в трех направлениях координатных осей: х, у, z.

1.  Отливки, у которых размер в одном направлении значительно меньше, чем в двух других направлениях: х << у » z. К ним относятся все тонкостенные отливки практически любой геометрической формы: плиты, коробки, полые цилиндры и другие. Типичной для этой группы можно считать тонкостенную плиту – плоскую стенку.

2.  Отливки, у которых размеры в двух направлениях х и у имеют сопоставимые и примерно одинаковые размеры, а третьем направлении z размер значительно превышает два первых: z >> х » у. Сюда относятся относительно длинные детали типа валов, балок, а типичной для этой группы отливок является цилиндр относительно большой длины, у которого длина значительно больше диаметра. Однако и призма большой высоты (рис. 50) затвердевает примерно как длинный цилиндр.

3.  Отливки, у которых размеры по всем трем координатным осям примерно равны х » у » z. К таким отливкам относится куб, шар, низкий цилиндр (h » d). Типичным представителем этой группы отливок следует считать шар, поскольку другие геометрические фигуры по мере развития затвердевания приближаются к затвердеванию шара.

На основе изложенного любые сложные по геометрии отливки могут быть сведены к комбинации (совмещению) трех основных геометрических форм: плоской стенки, протяженного цилиндра, шара. А, следовательно, и любые сложные отливки по длительности затвердевания и охлаждения могут, рассчитаны на основе расчетов для плоской стенки, цилиндра и шара соответствующих размеров.

Интенсивность охлаждения любой отливки оценивают по величине объема, от которого отводится тепло через площадь поверхности охлаждения. На рис. 51 схематично изображены типовые отливки – элементарные геометрические тела: плоская стенка, протяженный цилиндр и шар с изображением части объемов, от которых происходит теплоотвод через элементарные равные поверхности (на схеме затемнены). Толщина стенки плоской отливки и диаметры цилиндра и шара соответственно равны «2R». На приведенной схеме с поверхности каждого их трех геометрических тел (плоской стенки, протяженного цилиндра, шара) условно вырезаны элементарные объемы таким образом, чтобы с элементарной поверхности в глубь объема образующие линии совпадали с направлением отвода тепла. Геометрическая форма таких элементарных объемов неодинакова: для плоской стенки – призма, для цилиндра – клин, для шара – пирамида. А соответственно при одинаковой температуре трех тел количество тепла, отводимое через элементарные одинаковые поверхности будет неодинаково: больше – от плоской стенки, меньше – от цилиндра и еще меньше от шара.